Simulation de l`imagerie en lumière polarisée: Application à l`étude

Simulation de l’imagerie en lumi`ere polaris´ee :
Application `a l’´etude de l’architecture des ”fibres” du
myocarde humain
Paul Audain Desrosiers
To cite this version:
Paul Audain Desrosiers. Simulation de l’imagerie en lumi`ere polaris´ee : Application `a l’´etude
de l’architecture des ”fibres” du myocarde humain. Imagerie m´edicale. INSA de Lyon, 2014.
Fran¸cais. <NNT : 2014ISAL0046>.<tel-01165036>
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Année 2014
THÈSE
Présentée devant
L’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon
Pour obtenir
LE GRADE DE DOCTEUR
ECOLE DOCTORALE: ÉLECTRONIQUE, ÉLECTROTECHNIQUE, AUTOMATIQUE
FORMATION DOCTORALE : SCIENCES DE L‟INFORMATION, DES DISPOSITIFS ET
DES SYSTEMES
par
DESROSIERS Paul Audain
Simulation de l’imagerie en lumière polarisée : application à l'étude de l'architecture des
« fibres » du myocarde humain
Soutenue le 21/05/2014
Jury :
Patricia SEGONDS Professeur, Université de Grenoble Rapporteur
Su RUAN Professeur, Université de Rouen Rapporteur
Pierre CROISILLE Professeur, Praticien Hospitalier Examinateur
CHU St-Etienne
Pierre-Simon JOUK Professeur, Praticien Hospitalier Examinateur
CHU de Grenoble
Yuemin ZHU Directeur de Recherche CNRS Directeur de thèse
Yves USSON Directeur de Recherche CNRS Co-directeur de thèse
Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2014ISAL0046/these.pdf
© [P.A. Desrosiers], [2014], INSA de Lyon, tous droits réservés

INSA Direction de la Recherche -Ecoles Doctorales - Quinquennal 2011-2015
DESROSIERS Paul Audain Page I
SIGLE
ECOLE DOCTORALE
NOM ET COORDONNEES DU RESPONSABLE
CHIMIE
CHIMIE DE LYON
http://www.edchimie-lyon.fr
Insa : R. GOURDON
M. Jean Marc LANCELIN
Université de Lyon – Collège Doctoral
Bât ESCPE
43 bd du 11 novembre 1918
69622 VILLEURBANNE Cedex
Tél : [phone]
[e-mail]
E.E.A.
ELECTRONIQUE, ELECTROTECHNIQUE,
AUTOMATIQUE
http://edeea.ec-lyon.fr
Secrétariat : M.C. HAVGOUDOUKIAN
[email protected]r
M. Gérard SCORLETTI
Ecole Centrale de Lyon
36 avenue Guy de Collongue
69134 ECULLY
Tél : [phone] Fax : [phone]
Gerard.scorl[email protected]
E2M2
EVOLUTION, ECOSYSTEME,
MICROBIOLOGIE, MODELISATION
http://e2m2.universite-lyon.fr
Insa : H. CHARLES
Mme Gudrun BORNETTE
CNRS UMR 5023 LEHNA
Université Claude Bernard Lyon 1
Bât Forel
43 bd du 11 novembre 1918
69622 VILLEURBANNE Cédex
Tél : [phone]
e2m2@ univ-lyon1.fr
EDISS
INTERDISCIPLINAIRE SCIENCES-SANTE
http://www.ediss-lyon.fr
Sec : Samia VUILLERMOZ
Insa : M. LAGARDE
M. Didier REVEL
Hôpital Louis Pradel
Bâtiment Central
28 Avenue Doyen Lépine
69677 BRON
Tél : [phone] Fax :[phone]
[e-mail]
INFOMATHS
INFORMATIQUE ET MATHEMATIQUES
http://infomaths.univ-lyon1.fr
Sec : Renée EL MELHEM
Mme Sylvie CALABRETTO
Université Claude Bernard Lyon 1
INFOMATHS
Bâtiment Braconnier
43 bd du 11 novembre 1918
69622 VILLEURBANNE Cedex
Tél : [phone] Fax [phone]
[e-mail]
Matériaux
MATERIAUX DE LYON
http://ed34.universite-lyon.fr
Secrétariat : M. LABOUNE
PM : 71.70 –Fax : 87.12
Bat. Saint Exupéry
[e-mail]
M. Jean-Yves BUFFIERE
INSA de Lyon
MATEIS
Bâtiment Saint Exupéry
7 avenue Jean Capelle
69621 VILLEURBANNE Cedex
Tél : [phone] Fax [phone]
[e-mail]
MEGA
MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE CIVIL, ACOUSTIQUE
http://mega.ec-lyon.fr
Secrétariat : M. LABOUNE
PM : 71.70 –Fax : 87.12
Bat. Saint Exupéry
[e-mail]
M. Philippe BOISSE
INSA de Lyon
Laboratoire LAMCOS
Bâtiment Jacquard
25 bis avenue Jean Capelle
69621 VILLEURBANNE Cedex
Tél : [phone] Fax : [phone]
[e-mail]
ScSo
ScSo*
http://recherche.univ-lyon2.fr/scso/
Sec : Viviane POLSINELLI
Brigitte DUBOIS
Insa : J.Y. TOUSSAINT
M. OBADIA Lionel
Université Lyon 2
86 rue Pasteur
69365 LYON Cedex 07
Tél : [phone] Fax : [phone]
[e-mail]
*ScSo : Histoire, Géographie, Aménagement, Urbanisme, Archéologie, Science politique, Sociologie, Anthropologie
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Abstract
DESROSIERS Paul Audain Page II
Simulation de l’imagerie en lumière polarisée : application à
l'étude de l'architecture des « fibres » du myocarde humain
Abstract
Most cardiovascular diseases are closely linked to the 3D cardiomyocytes bundles of the human
myocardium. Knowing in detail this architecture allows us to overcome a scientific bottleneck on the
complex spatial organization of cardiomyocytes, and offers ways to find appropriate solutions to treat
these diseases. The goal of present thesis is then to develop methods and techniques that allow gaining
insights into the geometric arrangement of cardiomyocytes or cardiomyocytes bundles in the
myocardium.
Due to the birefringent nature of myosin filaments that are found in myocardial cells, the Polarized
Light Imaging (PLI) appears as the only existing method for studying in detail the architecture and
cardiomyocytes bundle orientation in ventricular mass. Myosin filaments react as uniaxial birefringent
crystal; thereby it has been modeled as the uniaxial birefringent crystal. The PLI uses the vibration
properties of light; the photonic and atomic interaction between light and matter can reveal the
structural organization and the 3D cardiomyocytes orientation of the myocardium. The present work is
based on modeling the behavior of the light after passing through a cardiomyocytes bundle. Thus, a
volume 100 × 100 × 500 μm3 has been decomposed in a number of cubic elements which are
equivalent to cardiac cells of diameter of 20 microns. The volume was studied under different
conditions to emulate the organization of cardiomyocytes in different regions in human myocardium:
isotropic region, heterogeneous region, region with cardiomyocytes bundle crossing. The results
showed that the behavior of the volume changes according to the spatial arrangement of
cardiomyocytes within the volume. Through an analytical model developed using simulation, it has
been possible to know the 3D orientation of cardiomyocytes at any region throughout the volume. This
model has been implemented in software as a plugin. Then, it has been validated with the pillars of
atrio-ventricular valves by comparing the curves obtained by numerical simulation with those obtained
in the experimental phases. Moreover, it has been possible to measure the 3D orientation of
cardiomyocytes bundles within the pillars. After validation, the model was applied to an entire human
healthy heart. Then, we extracted the mapping of the 3D orientations (azimuth angle, elevation angle)
of cardiomyocytes bundles, as well as the mapping of the homogeneity levels of the entire
myocardium. The developed mathematical tools have validated the measures and empirical methods of
Jouk et al.
For a qualitative comparison of the 3D orientation measurements obtained with the PLI and Magnetic
Resonance Imaging (MRI), the healthy human heart of a 14 month old child was extracted at autopsy,
then fixed in formalin, and finally imaged by MRI and PLI. Despite the low spatial resolution of MRI
images, the results showed that the 3D orientations of cardiomyocytes bundles measured from these
two imaging methods appeared almost identical.
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Résumé
DESROSIERS Paul Audain Page III
Résumé
La plupart des maladies cardio-vasculaires sont étroitement liées à l‟architecture 3D des faisceaux de
cardiomyocytes du myocarde humain. Connaitre en détail cette architecture permet de lever un verrou
scientifique sur l‟organisation spatiale complexe des faisceaux de cardiomyocytes, et offre des pistes
pour trouver des solutions pertinentes permettant de guérir ces maladies. Ainsi, les méthodes et
techniques qui sont développées dans cette thèse permettront d‟avoir une idée détaillée sur
l‟organisation spatiale des cardiomyocytes.
A cause de la nature biréfringente des filaments de myosine qui se trouvent dans les cellules
cardiomyocyte, l‟Imagerie en Lumière Polarisée (ILP) se révèle comme la seule méthode existante
permettant d‟étudier en détail, l‟architecture et l‟orientation des faisceaux de cardiomyocytes au sein
de la masse ventriculaire. Les filaments de myosine se comportent comme des cristaux uni-axiaux
biréfringents, ce qui permet de les modéliser comme les cristaux uni-axiaux biréfringents. L‟ILP
exploite les propriétés vibratoires de la lumière car l‟interaction photonique et atomique entre la
lumière et la matière permet de révéler l‟organisation structurelle et l‟orientation 3D des
cardiomyocytes. Le présent travail se base sur la modélisation des différents comportements de la
lumière après avoir traversé des faisceaux de cardiomyocytes. Ainsi, un volume 100×100×500 µm3 a
été décomposé en plusieurs éléments cubiques qui représentent l'équivalent de l'intersection des
cellules de diamètre de 20 µm chacune. Le volume a été étudié dans différentes conditions imitant
l‟organisation 3D des cardiomyocytes dans différentes régions du myocarde : région isotrope
(homogène), région isotrope hétérogène, région de croisement des faisceaux de cardiomyocytes. Les
résultats montrent que le comportement du volume change suivant l‟arrangement spatial des
cardiomyocytes à l‟intérieur du volume. Grâce à un modèle analytique développé à l‟aide des
simulations, il a été possible de connaitre en tout point, l‟orientation 3D des cardiomyocytes dans tout
le volume. Ce modèle a été implémenté dans un greffon logiciel. Puis, il a été validé avec les piliers
des valves auriculo-ventriculaire en comparant les courbes obtenues en simulation numérique à celles
obtenues dans la phase expérimentale. De plus, il a été possible de mesurer l‟orientation 3D des
faisceaux de cardiomyocytes à l‟intérieur du pilier. Après cette validation, le modèle a été utilisé sur
un cœur humain (sain) en entier. Puis, nous avons extrait les cartographies des orientations 3D (angle
azimut, angle d‟élévation) des cardiomyocytes, ainsi que la cartographie des niveaux d‟homogénéité
du myocarde en entier. Le développement des outils mathématiques robustes a permis de valider les
mesures et les méthodes empiriques de Jouk et al.
Pour une confrontation qualitative des mesures de l‟orientation 3D obtenues en ILP avec celles en
Imagerie par Résonance Magnétique (IRM), un cœur humain sain d‟un enfant de 14 mois a été prélevé
lors de l‟autopsie, fixé dans du formol, puis imagé en entier par IRM puis en ILP. Malgré la faible
résolution des images en IRM, les résultats obtenus montrent que les mesures de l‟orientation 3D des
cardiomyocytes issues de ces deux méthodes d‟imageries se révèlent quasiment identiques.
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